结构随机分析的Monte Carlo加权残值法

本文提出一种结构随机分析的Monte Carlo加权残值法。文中建立了这种方法的基本列式,并通过静力挠度、固有频率和屈曲荷载等算例,表明本文方法理论简捷,计算工程量少,精度较高,是随机结构数值分析的有效方法。     

Fokker-Planck方程有限解析/Monte Carlo数值模拟方法

对白噪声驱动随机系统的Fokker-Planck方程进行约化,求得约化方程的解析解,使用局部解析解和MonteCarlo结合方法求解常系数Fokker-Planck方程,并与常系数Fokker-Planck方程的精确解进行对比,之后求解了变驱动力系统的行为. 数值模拟结果表明,有限解析/MonteCarlo结合的方法,能成功求解一维Fokker-Planck方程,求解粒子数为10$^{5}$个,能获得十分光滑的PDF分布曲线,计算颗粒在300个时,就能获得较好的均值. 其研究为两相湍流PDF模型新计算方法研究提供基础.     

基于Monte Carlo模拟的砂土液化评估研究

探讨了MonteCarlo模拟方法用于砂土液化势评估的基本原理和过程, 建立了评判砂土液化的随机模拟模型和概率分布函数, 以及随机模拟的流程框图。     

考虑颗粒间碰撞的气固两相流拉格朗日模拟

在均匀,稳定的各向同性气固两相紊流场颗粒弥散的拉格朗日模拟计算方法基础上,进一步考虑了流场中颗粒之间的碰撞对于模拟计算结果的影响。与Lavieville用大涡模拟所做的计算结果进行了对比,以对本方法进行验证,并考察了颗粒间的碰撞分别对流体相和颗粒相的影响。     

基于Monte Carlo方法的磁驱动准等熵压缩实验不确定度量化评估

磁驱动准等熵压缩实验是研究材料偏离Hugoniot状态高压物性和动力学行为的重要实验技术之一,开展不确定量化评估具有重要意义和价值。基于Monte Carlo原理,结合磁驱动准等熵压缩实验过程分析、Lagrange分析和特征线正向数据处理方法建立了适用于此类实验的Monte Carlo不确定度量化评估方法,实现利用磁驱动准等熵压缩实验获取材料声速、应力、应变等物理量以及状态方程和本构关系等物理模型的不确定度量化评估。利用建立的不确定度评估方法,对文献中已开展的钽、铜和NiTi合金的磁驱动准等熵压缩实验结果进行不确定度量化评估与分析。结果表明,基于本文中方法的评估结果与国外文献以相同原理得到的评估结果一致。对基于CQ-4装置开展的NiTi合金磁驱动准等熵压缩实验的评估结果表明,设计的磁驱动准等熵压缩实验是一种可靠的精密物理实验。在此基础上,深入讨论了磁驱动准等熵压缩实验的误差相关性和敏感性。结果表明：台阶样品厚度和粒子速度的测量是影响实验精度的主要因素。     

气固两相流中颗粒碰撞的Monte-Carlo数值模拟

利用颗粒碰撞动力学模型和颗粒几何碰撞率模型,采用Monte—Carlo算法来模拟颗粒之间碰撞,把该算法与求解雷诺应力-概率密度函数模型的有限差分-Monte Carlo算法耦合起来,对轴对称突扩通道内的两相旋流场进行了数值模拟,模拟结果表明,由于颗粒碰撞使颗粒的动能和湍动能在三个坐标方向上进行了再分配,从而导致颗粒的动能和湍动能在三个坐标方向上趋于各向同性;另外,由于颗粒碰撞破坏了颗粒-颗粒、颗粒-流体微团之间的速度关联,从而造成颗粒湍动能及两相速度脉动关联的降低。     

颗粒间碰撞对槽道湍流中颗粒聚集效应的影响研究

颗粒两相湍流广泛存在于自然现象和工业流动中, 与人们的生活和生产活动息息相关. 通常情况下, 当颗粒的体积分数小于$ Oleft( {{{10}^{ - 4}}} right) $时, 颗粒间的碰撞效应被忽略. 一些研究发现, 在颗粒两相壁湍流中, 即使在低体积分数情况下, 由于湍泳和倾向性聚集会导致颗粒局部浓度较高, 颗粒间的碰撞频繁发生. 然而, 已有结果大多针对均匀各向同性湍流或采用大涡模拟的研究手段, 尚缺少关于颗粒两相槽道湍流的直接数值模拟研究, 颗粒间碰撞对颗粒聚集程度和形态影响的定量规律仍不清楚. 文章基于欧拉−拉格朗日点颗粒框架, 在摩擦雷诺数为$R{e_tau } = 180$的条件下, 采用直接数值模拟探讨了有/无颗粒间碰撞时水平槽道湍流中双分散颗粒聚集模式的差异. 算例的颗粒平均质量分数为${{bar phi _m}} sim Oleft( 1 right)$, 因此模型中还考虑了颗粒对流场的反馈作用. 研究发现, 颗粒间碰撞驱使近壁颗粒向槽道中心迁移, 导致颗粒平均浓度的壁法向廓线变得十分平坦, 抑制了壁湍流中颗粒的湍泳现象. 同时, 颗粒间碰撞导致颗粒在与壁面平行的水平薄层内更加均匀地分布. 特别是在黏性底层内, 各向异性的颗粒条带结构完全消失. 这些结果表明, 颗粒间碰撞显著抑制了水平槽道湍流中颗粒的湍泳和近壁区的倾向性聚集现象.     

颗粒群碰撞搜索及CFD-DEM耦合分域 求解的推进算法研究

在采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluiddynamics-discrete element method, CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时, 颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率. 为此, 本文选取每个目标颗粒为研究对象, 引入插值函数计算时间步的运动位移, 构建可变空间搜索网格; 通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表, 采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒, 从而提出一种改进的DEM方法(modified discreteelement method, MDEM). 该算法在颗粒群与流体耦合计算中, 颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制, 通过自动调整和修正实现大步长, 由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步, 使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决, 为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法. 通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟, 得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数, 与理论计算结果的相对误差均低于2%, 与传统的DEM碰撞搜索算法相比, 在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度, 且有较高的计算效率. 通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟, 采用传统的CFD-DEM方法, 只有颗粒计算时间步选取10$^{-6}$ s或更小才能得到精确解, 而采用本文方法取10$^{-4}$ s也能够得到精确解, 避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题, 且计算耗时降低了16.7%.     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型. 根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解. 结果表明：斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况. 结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型. 根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解. 结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况. 结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.      

Differentially weighted direct simulation Monte Carlo method for particle collision in gas–solid flows

In gas–solid flows, particle–particle interaction (typical, particle collision) is highly significant, despite the small particles fractional volume. Widely distributed polydisperse particle population is a typical characteristic during dynamic evolution of particles (e.g., agglomeration and fragmentation) in spite of their initial monodisperse particle distribution. The conventional direct simulation Monte Carlo (DSMC) method for particle collision tracks equally weighted simulation particles, which results in high statistical noise for particle fields if there are insufficient simulation particles in less-populated regions. In this study, a new differentially weighted DSMC (DW-DSMC) method for collisions of particles with different number weight is proposed within the framework of the general Eulerian–Lagrangian models for hydrodynamics. Three schemes (mass, momentum and energy conservation) were developed to restore the numbers of simulation particle while keeping total mass, momentum or energy of the whole system unchanged respectively. A limiting case of high-inertia particle flow was numerically simulated to validate the DW-DSMC method in terms of computational precision and efficiency. The momentum conservation scheme which leads to little fluctuation around the mass and energy of the whole system performed best. Improved resolution in particle fields and dynamic behavior could be attained simultaneously using DW-DSMC, compared with the equally weighted DSMC. Meanwhile, computational cost can be largely reduced in contrast with direct numerical simulation.     

复合材料失效判据有效性验证方法研究

为系统地验证复合材料失效判据计算精度和有效性范围,给出了4种材料体系、6种铺层形式的层合板在单轴、双轴载荷下的失效试验数据,用以评估复合材料失效判据在单向层合板失效包线、多向层合板初始失效包线、多向层合板最终失效包线、层合板变形及层合板的破坏特性等五个方面的预测能力。并根据验证方法和有效性评估策略对失效判据计算精度进行量化考核,给出了失效判据在五个层面上的计算精度。     

粒子法中压力振荡的机理研究

移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method, MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法, MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS 方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题. 本研究针对MPS 方法中存在的压力振荡现象, 首先将实际的物理问题简化为一维模型, 并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS 方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时, 加入了粒子碰撞模型, 通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟, 结果表明随着碰撞系数的增加, 粒子数密度偏差的波动幅度都会减小, 从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响, 结果表明: 采用高斯核函数时, 压力振荡的幅度更小, 这是因为采用高斯核函数时, 相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性, 这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动, 从而产生压力振荡, 因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.     

空间刚柔性机械臂振动的精细控制

本文在双连杆空间柔性机械臂系统非线性动力学方程的基础上,运用线性二次型(LQ)最优控制方法讨论了机械臂消除残余振动的控制问题.本文重点在于系统计算过程中,放弃了传统的差分类算法,对时变控制系统,引入时程精细积分方法,由于精细积分方法在有限的时间步长内又进行了更精细的划分,同时避免了差分法的许多计算障碍,使得该计算方法具有计算精度高及数值计算无条件稳定等特点.文中针对双连杆空间柔性机械臂系统这一典型结构,给出了其精细控制律,以说明精细积分法的优越性.     

SIMULATION OF SEDIMENTATION OF TWO CIRCULAR PARTICLES WITH COLLISION CONSIDERED IN VERTICAL CHANNEL

D2Q9 model of lattice Boltzmann equation method was used to simulate the sedimentation of two circular particles in a bounded two dimension channel. The characteristics of the sedimentation shows some periodicity for the Reynolds number Re chosen, 0.1-20. The larger the Reynolds number, the stronger the interaction between the two particles and the larger the transversal displacements. For large Re, the two particles leading alternately; for small Re, the initially leading particle will keep its leading position and for moderate Re, the initially upper particle will get leading position and keep it. The influence of the initially relative position of the two particles on sedimentation is small. The width of the channel won＇t change the characteristics of the sedimentation as a whole, but will change the period of the sedimentation. The wider the channel, the longer the period will be.     

快速多极子展开技术在高阶边界元方法中的实现

高阶边界元法以较常数元方法计算精度高存储低而在工程计算中得到了广泛的应用,但由于其平方存储和计算量的本质,无法应用于大型工程问题中。本文将快速多极子方法（FMM）应用于高阶边界元中从而使其计算量和存储量分别降为O（Nlog N）和O（N）。通过无限区域中水流绕射算例的数值计算,对FMM高阶边界元法与传统高阶边界元法的运算速度和内存消耗进行了分析对比,结果表明对于大型计算问题FMM高阶边界元算法更加有效。     

带自由表面水流与离散颗粒耦合模型研究

基于考察泥沙运动的细观行为特征,采用离散单元法(DEM)模拟泥沙颗粒运动,结合带自由表面的水动力学计算模型,建立了CFD-DEM耦合数值模型。计算程序开发基于Fortran语言来实现。耦合模型中实现了硬球模型和软球模型两种颗粒碰撞模型,应用范围较广。作为自由表面水流与泥沙颗粒流数值模型的初步研究,在模型建立的基础上,对模型做了基本的验证。分别通过单颗粒静水沉降和混合颗粒群分选两个计算工况,验证了模型的正确性及模拟精度。该耦合模型可进一步丰富带自由表面水流条件下泥沙运动的研究手段。     

粒子法中自由表面粒子识别

针对移动粒子半隐式法MPS（Moving Particle Semi-implicit Method）基于粒子数密度来判断自由表面会出现将内部粒子误判为自由表面粒子的问题,提出了一种结合几何法和体积法的自由表面粒子判定方法。通过对溃坝问题进行数值模拟,结果表明,全新的自由表面粒子判定方法对流体平稳运动以及剧烈运动两种工况,都能准确地判断出自由表面粒子,解决了基于粒子数密度判断方法因粒子分布稀疏产生误判的问题。[JP2]这种全新的自由表面粒子判定方法对今后采用MPS方法计算两相流问题时,两种介质在界面处的传热传质计算有重要意义。